JP2009263165A - Reactive ceramic and method for producing the same, and hydrogen production method and hydrogen production apparatus - Google Patents

Reactive ceramic and method for producing the same, and hydrogen production method and hydrogen production apparatus Download PDF

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裕 玉浦
Shunpei Taku
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide reactive ceramics promoting an oxygen releasing reaction in air having high oxygen partial pressure and having high reactivity and high temperature stability in a two-stage water decomposition reaction using concentrated solar energy, and continuously producing hydrogen from water and solar energy by repeating a reduction reaction (oxygen releasing reaction) and hydrolysis (hydrogen generating reaction), and to provide a method for producing the same, a hydrogen production method and a hydrogen production apparatus. <P>SOLUTION: The ceramics comprise a solid solution containing cerium and zirconium, in which both of cubic and tetragonal crystal systems are present. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、集光太陽光エネルギによる水素製造に用いる反応性セラミックスおよびその製造方法、ならびに水素製造方法および水素製造装置に関する。   The present invention relates to a reactive ceramic used for hydrogen production by concentrated solar energy, a production method thereof, a hydrogen production method, and a hydrogen production apparatus.

近年、化石燃料の枯渇、二酸化炭素の増加による地球温暖化などの問題の解決策として、化石燃料に代わって二酸化炭素を排出しないクリーンな再生可能エネルギの開発が重要度を増している。再生可能エネルギの一つである太陽光エネルギは枯渇の心配がなく、また、温室効果ガスの削減に貢献できる。また、近年、燃料電池が普及し始め、水素エネルギ社会の牽引役として期待されているが、現在製造されている水素の大半は化石燃料が原料であり、根本的な化石燃料削減の面では課題がある。このような世界情勢の中、一次エネルギを太陽光エネルギに求め、二次エネルギを水素で支える形は、理想的なクリーンエネルギシステムの一つであり、その確立は急務である。   In recent years, as a solution to problems such as depletion of fossil fuels and global warming due to an increase in carbon dioxide, development of clean renewable energy that does not emit carbon dioxide in place of fossil fuels has become increasingly important. Solar energy, which is one of the renewable energies, does not have to worry about exhaustion and can contribute to the reduction of greenhouse gases. In recent years, fuel cells have begun to spread and are expected to be a driving force for the hydrogen energy society, but most of the currently produced hydrogen is made from fossil fuels, which is a problem in terms of fundamental fossil fuel reduction. There is. In such a world situation, a form in which primary energy is obtained from solar energy and secondary energy is supported by hydrogen is one of the ideal clean energy systems, and its establishment is urgent.

そこで、太陽光を集光して、集光した太陽光のエネルギーを利用して、水素やメタノールを製造して保存可能な化学エネルギーとして貯蔵できれば、エネルギ資源としての有用性が増すことになる。   Therefore, if sunlight is condensed and hydrogen or methanol can be produced and stored as storable chemical energy using the energy of the collected sunlight, the usefulness as an energy resource increases.

ところで、世界にはアメリカ南部、地中海およびオーストラリア等のサンベルト地域と呼ばれる、太陽光が年間を通して豊富に降り注ぐ地域がある。未開発の砂漠が大部分を占めるそのような地域において、豊富な太陽エネルギを利用して集光太陽熱発電を行うとともに、太陽光エネルギを利用して水素やメタノールを製造することが提案され、開発が進められている。   By the way, there is a region in the world where the sun falls abundantly throughout the year, called Sunbelt regions such as the southern United States, the Mediterranean Sea and Australia. In such areas, where most of the undeveloped deserts are located, it has been proposed to produce concentrated solar power using abundant solar energy and to produce hydrogen and methanol using solar energy. Is underway.

そこで、集光太陽エネルギーを化学エネルギーに変換する方法の一つとして、反応性セラミックスを用いた二段階水分解反応による水素生産が提案されている(非特許文献1〜3参照)。この二段階水分解反応は、図9に示すように、還元型反応性セラミックスの生成過程(酸素放出反応)と、還元型セラミックスによる水分解過程(水素生成反応)の二段階で構成される。
酸素放出反応
MOox=MOred+1/2O (1)
水素生成反応
MOred+HO=MOox+H (2)
Therefore, hydrogen production by a two-stage water splitting reaction using reactive ceramics has been proposed as one method of converting condensed solar energy into chemical energy (see Non-Patent Documents 1 to 3). As shown in FIG. 9, this two-stage water splitting reaction is composed of two stages: a production process of reduced reactive ceramics (oxygen release reaction) and a water splitting process (hydrogen generation reaction) using reduced ceramics.
Oxygen release reaction MO ox = MO red + 1 / 2O 2 (1)
Hydrogen generation reaction MO red + H 2 O = MO ox + H 2 (2)

還元型反応性セラミックスの生成過程(酸素放出反応)は吸熱反応であるため、集光太陽熱の持つ太陽エネルギーを吸収することができる。二段階水分解反応に用いる反応性セラミックスとして、これまで、フェライト系(非特許文献4〜5参照)、セリア系(非特許文献6〜7参照)などが研究されてきた。そして、本願発明者らは、反応性セラミックスを用いたロータリー式太陽反応炉(非特許文献8参照)によって、連続的に水素を生産するシステムの実用化を視野に入れている。このロータリー式太陽反応炉に用いる反応性セラミックスとしては、酸素分圧の高い空気中で酸素放出反応が進行でき、また、酸素放出過程での高エネルギーフラックス(1000−3000kW/m)に対応できる高温安定性と高反応性を合わせ持つ材料が望まれる。これまで、ニッケルフェライトを用いた二段階水分解反応において、空気中で酸素放出反応が進行することが明らかになっている(非特許文献4参照)。
Tamaura, Y., 2003: “Solar Fuel Production by Conversion of Concentrated Solar-Heat to Chemical Energy”, Eco-Engineering 15(3), 109-119. Steinfeld, “A. Solar thermochemical production of hydrogen - a review.” Solar Energy 78, 603-615 (2005) 玉浦裕, 金子宏, 特願2006-274864, “水素製造方法、水素製造装置および金属酸化物”, (2006) Tamaura et al.: “Oxygen-releasing step of ZnFe2O4/(ZnO+Fe3O4)-system in air using concentrated solar energy for solar hydrogen production”, Solar Energy, 78(5), 616-622, 2005. 長沼祐樹, 金子宏, 石原英之, 多久俊平, 今枝修平, 福角浩昭, 長谷川紀子, 玉浦裕, “Ni-フェライトを用いたソーラー水素生産−実用化に向けたロータリー式反応炉への利用−”平成18年度日本太陽エネルギー学会・日本風力エネルギー協会合同研究発表会講演論文集“, (2006), 417-419. H. Kaneko, T. Miura, H. Ishihara, S. Taku, T. Yokoyama, H. Nakajima and Y. Tamaura, “Reactive ceramics of CeO2-MOx (M=Mn, Fe, Ni, Cu) for H2generation by two-step water splitting using concentrated solar thermal energy”, Energy (2007), 32(5), 656-663. S. Taku, H. Kaneko and Y. Tamaura, “Two-step water splitting reaction with Ce-Zr oxide system for solar hydrogen production”, Eco-Engineering (2007), 19(4), 255-262. H. Kaneko, T. Miura, A. Fuse, H. Ishihara, S. Taku, H. Fukuzumi, Y. Naganuma and Y. Tamaura, “Rotary-Type Solar Reactor for Solar Hydrogen Production with Two-step Water Splitting Process”, Energy & Fuels (2007), 21, 2287-2293.
Since the generation process (oxygen release reaction) of the reduced reactive ceramics is an endothermic reaction, it can absorb the solar energy of concentrated solar heat. As reactive ceramics used in the two-stage water splitting reaction, ferrite (see Non-Patent Documents 4 to 5), ceria (see Non-Patent Documents 6 to 7), and the like have been studied so far. The inventors of the present application are considering the practical application of a system that continuously produces hydrogen by a rotary solar reactor using reactive ceramics (see Non-Patent Document 8). As the reactive ceramics used in this rotary solar reactor, the oxygen release reaction can proceed in air with a high oxygen partial pressure, and can cope with a high energy flux (1000-3000 kW / m 2 ) in the oxygen release process. A material having both high temperature stability and high reactivity is desired. Until now, it has been clarified that in a two-stage water splitting reaction using nickel ferrite, an oxygen releasing reaction proceeds in air (see Non-Patent Document 4).
Tamaura, Y., 2003: “Solar Fuel Production by Conversion of Concentrated Solar-Heat to Chemical Energy”, Eco-Engineering 15 (3), 109-119. Steinfeld, “A. Solar thermochemical production of hydrogen-a review.” Solar Energy 78, 603-615 (2005) Tamaura Hiroshi, Kaneko Hiroshi, Japanese Patent Application 2006-274864, “Hydrogen Production Method, Hydrogen Production Equipment and Metal Oxides”, (2006) Tamaura et al .: “Oxygen-releasing step of ZnFe2O4 / (ZnO + Fe3O4) -system in air using concentrated solar energy for solar hydrogen production”, Solar Energy, 78 (5), 616-622, 2005. Yuki Naganuma, Hiroshi Kaneko, Hideyuki Ishihara, Shunpei Taku, Shuhei Imaeda, Hiroaki Fukuzumi, Noriko Hasegawa, Hiroshi Tamaura, “Solar Hydrogen Production Using Ni-Ferrite—Use in Rotary Reactors for Practical Use” Proceedings of the 2006 Japan Solar Energy Society and Japan Wind Energy Association Joint Presentation Meeting, (2006), 417-419. H. Kaneko, T. Miura, H. Ishihara, S. Taku, T. Yokoyama, H. Nakajima and Y. Tamaura, “Reactive ceramics of CeO2-MOx (M = Mn, Fe, Ni, Cu) for H2generation by two -step water splitting using concentrated solar thermal energy ”, Energy (2007), 32 (5), 656-663. S. Taku, H. Kaneko and Y. Tamaura, “Two-step water splitting reaction with Ce-Zr oxide system for solar hydrogen production”, Eco-Engineering (2007), 19 (4), 255-262. H. Kaneko, T. Miura, A. Fuse, H. Ishihara, S. Taku, H. Fukuzumi, Y. Naganuma and Y. Tamaura, “Rotary-Type Solar Reactor for Solar Hydrogen Production with Two-step Water Splitting Process” , Energy & Fuels (2007), 21, 2287-2293.

しかし、ニッケルフェライトを用いた二段階水分解反応において、酸素放出反応は、融点付近(1500℃以上)で行われるため、融解、焼結が起こり、連続的に二段階水分解反応を進行させることが困難であった。一方、従来の立方晶型セリア系反応性セラミックスCeO−MOx(M=Mn,Fe,Ni,Cu)は、高温安定性を有し、水素生成反応が500℃付近の低温で進行するという利点を有するが、酸素分圧の高い空気中での酸素放出反応の進行は達成されていなかった。 However, in the two-stage water splitting reaction using nickel ferrite, the oxygen releasing reaction is performed near the melting point (1500 ° C or higher), so melting and sintering occur, and the two-stage water splitting reaction proceeds continuously. It was difficult. On the other hand, the conventional cubic type ceria-based reactive ceramic CeO 2 —MOx (M = Mn, Fe, Ni, Cu) has an advantage that it has high temperature stability and the hydrogen generation reaction proceeds at a low temperature around 500 ° C. However, the progress of the oxygen release reaction in the air having a high oxygen partial pressure has not been achieved.

そこで、本発明の課題は、集光太陽熱を利用した二段階水分解反応において、酸素分圧の高い空気中での酸素放出反応の進行、高反応性および高温安定性を有し、還元反応(酸素放出反応)と水分解反応(水素生成反応)を繰り返すことにより、水と太陽エネルギーから連続的に水素を生産することができる反応性セラミックスおよびその製造方法、ならびに水素製造方法および水素製造装置を提供することにある。   Therefore, the problem of the present invention is that in a two-stage water splitting reaction using concentrated solar heat, oxygen release reaction progresses in air with a high oxygen partial pressure, high reactivity and high temperature stability, and a reduction reaction ( A reactive ceramic capable of continuously producing hydrogen from water and solar energy by repeating an oxygen release reaction) and a water splitting reaction (hydrogen generation reaction), a method for producing the same, a hydrogen production method, and a hydrogen production apparatus It is to provide.

本発明者らは、従来の立方晶型セリア系反応性セラミックスは、Ce原子の酸化還元反応のみで進行している、と考え、ZrOをCeOの蛍石型格子内に置換できる上限以上に固溶させることにより、立方晶系と正方晶系の二つの結晶系を同時に有するCeO−ZrO系の反応性セラミックスが、これらの結晶系間の相互作用を伴うと示唆される酸素欠損生成により空気中でも酸素放出反応が進行することを知見した。 The present inventors consider that conventional cubic-type ceria-based reactive ceramics proceed only through the redox reaction of Ce atoms, and thus exceed the upper limit at which ZrO 2 can be substituted into the fluorite lattice of CeO 2. Oxygen deficiency suggested that CeO 2 -ZrO 2 -based reactive ceramics having both cubic and tetragonal crystal systems are accompanied by an interaction between these crystal systems. It was found that the oxygen release reaction proceeds in the air due to the formation.

そこで、本発明の反応性セラミックスは、前記課題を解決するために、前記知見に基づき、セリウムおよびジルコニウムを含む固溶体からなり、立方晶と正方晶の結晶系が共存することを特徴とする。   Therefore, in order to solve the above-mentioned problem, the reactive ceramic of the present invention is made of a solid solution containing cerium and zirconium based on the above knowledge, and is characterized in that a cubic and tetragonal crystal system coexist.

この反応性セラミックスは、セリウムおよびジルコニウムを含む固溶体からなり、立方晶と正方晶の結晶系が共存することによって、大気雰囲気中で1400〜1800℃に加熱して還元して酸素を放出する酸素放出反応と、還元された反応性セラミックスを300〜1200℃で水と反応させて酸化反応によって水素を生成する水素生成反応を行う2段階水分解反応を繰り返して行うことにより、水素を製造することができる。   This reactive ceramic is made of a solid solution containing cerium and zirconium, and coexisting with a cubic and tetragonal crystal system, it is heated to 1400-1800 ° C. in the atmosphere and reduced to release oxygen. It is possible to produce hydrogen by repeatedly performing a reaction and a two-stage water splitting reaction in which a reduced reactive ceramic is reacted with water at 300 to 1200 ° C. to generate hydrogen by an oxidation reaction. it can.

また、請求項2に係る発明の反応セラミックスは、前記セリウム/ジルコニウムのモル比が、90/10〜20/80であることを特徴とする。   The reactive ceramics of the invention according to claim 2 is characterized in that the cerium / zirconium molar ratio is 90/10 to 20/80.

この反応性セラミックスでは、前記セリウム/ジルコニウムのモル比が、90/10〜20/80であることが好ましく、さらに、前記セリウム/ジルコニウムのモル比が、80/20〜50/50であることが好ましい。   In this reactive ceramic, the molar ratio of cerium / zirconium is preferably 90/10 to 20/80, and the molar ratio of cerium / zirconium is preferably 80/20 to 50/50. preferable.

請求項4に係る発明の反応性セラミックスの製造方法は、セリウム硝酸塩と、ジルコニウム硝酸塩とを含む硝酸塩水溶液を、シュウ酸水溶液と混合して沈殿物を生成する工程と、前記沈殿物を含む懸濁液のpHを0〜7に調整する工程と、前記沈殿物を焼成する工程と、を含むことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for producing a reactive ceramic comprising: a step of mixing a nitrate aqueous solution containing cerium nitrate and zirconium nitrate with an oxalic acid aqueous solution to form a precipitate; and a suspension containing the precipitate. A step of adjusting the pH of the liquid to 0 to 7 and a step of baking the precipitate.

この反応性セラミックスの製造方法では、セリウム硝酸塩と、ジルコニウム硝酸塩とを含む硝酸塩水溶液を、沈殿物を生成する工程と、前記沈殿物を含む懸濁液のpHを0−7に調整する工程と、前記沈殿物を焼成する工程とによって、セリウムおよびジルコニウムを含む固溶体からなり、立方晶と正方晶の結晶系が共存する反応性セラミックスを得ることができる。   In this method for producing reactive ceramics, a nitrate aqueous solution containing cerium nitrate and zirconium nitrate, a step of generating a precipitate, a step of adjusting the pH of the suspension containing the precipitate to 0-7, By the step of firing the precipitate, a reactive ceramic made of a solid solution containing cerium and zirconium and having a cubic and tetragonal crystal system coexisting can be obtained.

請求項5に係る発明の水素の製造方法は、前記の反応性セラミックスを用いて水素を製造する方法であって、前記反応性セラミックスに集光太陽光エネルギを照射して大気雰囲気中で1400〜1800℃に加熱して、前記反応性セラミックスを還元して酸素を放出する酸素放出反応と、前記還元された反応性セラミックスを300〜1200℃で水と反応させて前記反応性セラミックスを酸化して水素を生成する水素生成反応と、を行う2段階水分解反応を繰り返して行うことを特徴とする。   A method for producing hydrogen according to a fifth aspect of the present invention is a method for producing hydrogen using the reactive ceramics, wherein the reactive ceramics is irradiated with concentrated solar energy and 1400 in the air atmosphere. Heating to 1800 ° C. to reduce the reactive ceramics to release oxygen, and reacting the reduced reactive ceramics with water at 300 to 1200 ° C. to oxidize the reactive ceramics. It is characterized by repeatedly performing a two-stage water splitting reaction in which hydrogen generation reaction for generating hydrogen is performed.

この水素の製造方法では、反応性セラミックスに集光太陽光エネルギを照射して大気雰囲気中で1400〜1800℃に加熱して、反応性セラミックスを還元して酸素を放出する酸素放出反応と、還元された反応性セラミックスを300〜1200℃で水と反応させて反応性セラミックスを酸化して水素を生成する水素生成反応と、を行う2段階水分解反応を繰り返して行うことによって、集光太陽光エネルギを利用して水素を効率的に製造することができる。   In this hydrogen production method, the reactive ceramic is irradiated with concentrated solar energy and heated to 1400 to 1800 ° C. in the air atmosphere to reduce the reactive ceramic to release oxygen, and the reduction The condensed reactive ceramics are reacted with water at 300 to 1200 ° C. to oxidize the reactive ceramics to generate hydrogen to repeatedly generate hydrogen, thereby performing a two-stage water splitting reaction. Hydrogen can be efficiently produced using energy.

請求項6に係る発明の水素の製造方法は、前記集光太陽光エネルギのエネルギフラックスが1000〜3000kW/mであることを特徴とする。 The method for producing hydrogen according to claim 6 is characterized in that an energy flux of the concentrated solar energy is 1000 to 3000 kW / m 2 .

この水素の製造方法では、エネルギフラックスが1000〜3000kW/mである集光太陽光エネルギを利用して水素を効率的に製造することができる。 In this hydrogen production method, hydrogen can be efficiently produced using concentrated solar energy with an energy flux of 1000 to 3000 kW / m 2 .

請求項7に係る発明の水素製造装置は、前記の反応性セラミックスを配設した2段階水分解反応部と、前記2段階水分解反応部に太陽光エネルギを供給する太陽光供給部と、前記2段階水分解反応部に水を供給する水供給部と、を備え、前記2段階水分解反応部において、前記太陽光供給部から太陽光エネルギを供給して前記反応性セラミックスを大気雰囲気中で1400〜1800℃に加熱して、前記反応性セラミックスを還元して酸素を生成し、さらに、前記還元された反応性セラミックスを300〜1200℃で水と反応させて前記還元された反応性セラミックスを酸化して水素を生成する2段階水分解反応を繰り返して、水素を製造することを特徴とする。   A hydrogen production apparatus according to a seventh aspect of the present invention is a two-stage water splitting reaction section provided with the reactive ceramics, a solar power supply section for supplying solar energy to the two-stage water splitting reaction section, A water supply part for supplying water to the two-stage water splitting reaction part, and in the two-stage water splitting reaction part, solar energy is supplied from the solar power supply part to cause the reactive ceramics to be in the atmosphere. Heating to 1400 to 1800 ° C. to reduce the reactive ceramics to produce oxygen, and further reacting the reduced reactive ceramics with water at 300 to 1200 ° C. to reduce the reduced reactive ceramics It is characterized in that hydrogen is produced by repeating a two-stage water splitting reaction that generates hydrogen by oxidation.

この水素製造装置では、2段階水分解反応部において、前記太陽光供給部から太陽光エネルギを供給して前記反応性セラミックスを大気雰囲気中で1400〜1800℃に加熱して、前記反応性セラミックスを還元して酸素を生成し、さらに、前記還元された反応性セラミックスを300〜1200℃で水と反応させて前記還元された反応性セラミックスを酸化して水素を生成する2段階水分解反応を繰り返して、集光太陽光エネルギを利用して水素を効率的に製造することができる。   In this hydrogen production apparatus, in a two-stage water splitting reaction section, solar energy is supplied from the solar power supply section and the reactive ceramic is heated to 1400 to 1800 ° C. in an air atmosphere to Reduction is performed to generate oxygen, and further, a two-stage water decomposition reaction is repeated in which the reduced reactive ceramic is reacted with water at 300 to 1200 ° C. to oxidize the reduced reactive ceramic and generate hydrogen. Thus, hydrogen can be efficiently produced using concentrated solar energy.

本発明の反応性セラミックスは、集光太陽熱を利用した二段階水分解反応において、酸素分圧の高い空気中での酸素放出反応の進行、高反応性および高温安定性を有し、還元反応(酸素放出反応)と水分解反応(水素生成反応)を繰り返すことにより、水と太陽エネルギーから連続的に水素を効率的に製造することができる。   The reactive ceramic of the present invention has a progress of oxygen release reaction in air with a high oxygen partial pressure, high reactivity, and high temperature stability in a two-stage water splitting reaction using concentrated solar heat. By repeating the oxygen releasing reaction) and the water splitting reaction (hydrogen generating reaction), it is possible to efficiently produce hydrogen continuously from water and solar energy.

また、本発明の反応性セラミックスの製造方法によれば、セリウムおよびジルコニウムを含む固溶体からなり、立方晶と正方晶の結晶系が共存する反応性セラミックスを得ることができる。   Moreover, according to the method for producing reactive ceramics of the present invention, it is possible to obtain reactive ceramics made of a solid solution containing cerium and zirconium and in which cubic and tetragonal crystal systems coexist.

さらに、本発明の水素製造方法によれば、反応性セラミックスを還元して酸素を放出する酸素放出反応と、還元された反応性セラミックスを大気雰囲気中で水と反応させて反応性セラミックスを酸化して水素を生成する水素生成反応と、を行う2段階水分解反応を繰り返して行うことによって、集光太陽光エネルギを利用して水素を効率的に製造することができる。   Furthermore, according to the hydrogen production method of the present invention, the oxygen release reaction in which the reactive ceramic is reduced to release oxygen, and the reactive ceramic is reacted with water in the atmosphere to oxidize the reactive ceramic. By repeatedly performing the two-stage water splitting reaction in which hydrogen is generated to generate hydrogen, hydrogen can be efficiently produced using concentrated solar energy.

さらにまた、本発明の水素製造装置によれば、集光太陽光エネルギを利用して反応性セラミックスを大気雰囲気中で加熱して、反応性セラミックスを還元して酸素を生成し、さらに、還元された反応性セラミックスを大気雰囲気中で水と反応させて水素を生成する2段階水分解反応を繰り返して、集光太陽光エネルギを利用して水素を効率的に製造することができる。   Furthermore, according to the hydrogen production apparatus of the present invention, the reactive ceramics is heated in the atmospheric air by using the concentrated solar energy, and the reactive ceramics are reduced to generate oxygen and further reduced. It is possible to efficiently produce hydrogen using concentrated solar energy by repeating the two-stage water splitting reaction in which the reactive ceramics are reacted with water in the atmosphere to generate hydrogen.

以下、本発明の反応性セラミックスおよびその製造方法、ならびに水素製造方法および水素製造装置について詳細に説明する。
本発明の反応性セラミックスは、セリウムおよびジルコニウムを含む固溶体からなるものである。セリウムとジルコニウムは、ZrOが、CeOの蛍石型格子内に置換できる上限:10−30mol%[1000℃(焼成温度)-1500℃(酸素放出反応温度))以上に固溶しているものである。そして、本発明の反応性セラミックスは、立方晶と正方晶の結晶系が共存する結晶形態を有する。この立方晶と正方晶の結晶系の含有割合は、反応性セラミックスの温度による相転位によって変動する。すなわち、この反応性セラミックスは、1500℃付近で立方晶−正方晶の相転移が起こり、これらの結晶系間の相互作用を伴うと示唆される酸素欠損生成により空気中でも酸素放出反応が進行する。また、ZrO(m.p.約2700℃)は、CeO(m.p.約2600℃)以上の高融点を持つため、従来CeOに固溶させていた遷移金属(Mn,Fe,Ni,Cu)酸化物のように、蛍石型格子内に置換しなくても焼結や融解が進行しないという利点がある。そのため、本発明の反応性セラミックスは、1500℃付近で酸素放出反応が進行するとともに、水素生成反応は500℃付近の低温で迅速に進行し、しかも高温安定性および高反応性を有するため、集光太陽熱を利用した二段階水分解反応による連続水素生産に有用である。
Hereinafter, the reactive ceramic of the present invention, a method for producing the same, a hydrogen production method, and a hydrogen production apparatus will be described in detail.
The reactive ceramic of the present invention is made of a solid solution containing cerium and zirconium. Cerium and zirconium are in solid solution at an upper limit of 10-30 mol% [1000 ° C. (firing temperature) -1500 ° C. (oxygen releasing reaction temperature)) at which ZrO 2 can be substituted in the fluorite lattice of CeO 2 . Is. The reactive ceramic of the present invention has a crystal form in which a cubic crystal system and a tetragonal crystal system coexist. The content ratio of the cubic and tetragonal crystal system varies depending on the phase transition depending on the temperature of the reactive ceramic. That is, this reactive ceramic undergoes a cubic-tetragonal phase transition at around 1500 ° C., and the oxygen release reaction proceeds in the air due to the generation of oxygen vacancies suggested to involve the interaction between these crystal systems. In addition, since ZrO 2 (mp about 2700 ° C.) has a high melting point of CeO 2 (mp about 2600 ° C.) or higher, transition metal (Mn, Fe, Ni, Cu) oxides conventionally dissolved in CeO 2 Thus, there is an advantage that sintering and melting do not proceed even if the fluorite lattice is not replaced. For this reason, the reactive ceramic of the present invention undergoes an oxygen releasing reaction at around 1500 ° C., and the hydrogen generation reaction proceeds rapidly at a low temperature around 500 ° C., and has high temperature stability and high reactivity. It is useful for continuous hydrogen production by two-stage water splitting reaction using light solar heat.

本発明の反応性セラミックスにおいて、セリウムおよびジルコニウムの含有割合は、Ce/Zrのモル比で90/10〜20/80であることが好ましく、さらに好ましくはCe/Zrのモル比で80/20〜50/50である。特に、Ce/Zrのモル比で60/40の割合で含む反応性セラミックスが、水素の生成量が多いことから、好ましい。   In the reactive ceramic of the present invention, the content ratio of cerium and zirconium is preferably 90/10 to 20/80 in terms of Ce / Zr molar ratio, and more preferably 80/20 to in terms of Ce / Zr molar ratio. 50/50. In particular, reactive ceramics containing a Ce / Zr molar ratio of 60/40 are preferred because of the large amount of hydrogen produced.

本発明の反応性セラミックスの製造は、セリウム硝酸塩と、ジルコニウム硝酸塩とを含む硝酸塩水溶液を、シュウ酸水溶液と混合して混合溶液を調製する工程と、前記混合溶液のpHを調整して沈殿物を生成する工程と、前記沈殿物を焼成する工程と、を含む方法によって行うことができる。この方法は、いわゆるシュウ酸塩共沈法と呼ばれる方法である。この方法によって、セリウムおよびジルコニウムを含む固溶体で構成されるとともに、立方晶と正方晶の結晶系が共存する結晶形態を有する反応性セラミックスを得ることができる。一方、この種の固溶体を得るために使われる、いわゆる錯体重合法によっては、セリウムおよびジルコニウムを含む固溶体で構成されるとともに、立方晶と正方晶の結晶系が共存する結晶形態を有する反応性セラミックスを得ることができず、正方晶の結晶系のみからなるセラミックスが得られる。   The production of the reactive ceramic of the present invention includes a step of preparing a mixed solution by mixing a nitrate aqueous solution containing cerium nitrate and zirconium nitrate with an oxalic acid aqueous solution, and adjusting the pH of the mixed solution to form a precipitate. It can carry out by the method of including the process of producing | generating and the process of baking the said precipitate. This method is a so-called oxalate coprecipitation method. By this method, it is possible to obtain a reactive ceramic which is composed of a solid solution containing cerium and zirconium and has a crystal form in which a cubic crystal system and a tetragonal crystal system coexist. On the other hand, depending on the so-called complex polymerization method used to obtain this type of solid solution, reactive ceramics composed of a solid solution containing cerium and zirconium and having a crystal form in which cubic and tetragonal crystal systems coexist Thus, a ceramic composed only of a tetragonal crystal system can be obtained.

セリウム硝酸塩としては、硝酸セリウム、硝酸アンモニウムセリウム、硝酸二アンモニウム、硝酸四アンモニウムセリウム、シュウ酸セリウム、塩化セリウム、臭化セリウム、炭酸セリウム、酢酸セリウム、ふっ化セリウム 、ほう化セリウム、よう化セリウム、りん酸セリウム等を用いることができ、また、ジルコニウム硝酸塩としては、硝酸酸化ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、塩化酸化ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、、ふっ化ジルコニウム、オキシりん酸ジルコニウム、けい酸ジルコニウム、臭化ジルコニウム、酢酸ジルコニウム、水酸化ジルコニウム、炭酸ジルコニウム等を用いることができる。これらのセリウム硝酸塩とジルコニウム硝酸塩とを、前記Ce/Zrのモル比となる割合で、シュウ酸水溶液と混合して混合溶液を調製する。このとき、シュウ酸水溶液は、セリウム硝酸塩とジルコニウム硝酸塩の合計量に対して、少なくとも当量以上の割合となるように混合することが好ましい。   Cerium nitrates include cerium nitrate, ammonium cerium nitrate, diammonium nitrate, cerium nitrate cerium, cerium oxalate, cerium chloride, cerium bromide, cerium carbonate, cerium acetate, cerium fluoride, cerium boride, cerium iodide, phosphorus Cerium acid can be used, and zirconium nitrate includes zirconium nitrate, zirconium nitrate, zirconium chloride, zirconium oxychloride, zirconium fluoride, zirconium oxyphosphate, zirconium silicate, zirconium bromide, acetic acid. Zirconium, zirconium hydroxide, zirconium carbonate, or the like can be used. These cerium nitrate and zirconium nitrate are mixed with an oxalic acid aqueous solution at a ratio of the Ce / Zr molar ratio to prepare a mixed solution. At this time, it is preferable that the oxalic acid aqueous solution is mixed so that the ratio is at least equivalent to the total amount of cerium nitrate and zirconium nitrate.

また、混合溶液のpHは、0〜7の範囲、好ましくは2〜3の範囲に調整する。このpHの調整によって、収量が増大する。   The pH of the mixed solution is adjusted to a range of 0 to 7, preferably a range of 2 to 3. This pH adjustment increases the yield.

沈殿物の焼成は、固溶体とするために、900〜1500℃程度で行うことが好ましく、特に好ましくは1000〜1400℃である。沈殿物の焼成は、電気炉等を用いて、温度を調整して行うことが好ましい。   The firing of the precipitate is preferably performed at about 900 to 1500 ° C., particularly preferably 1000 to 1400 ° C., in order to obtain a solid solution. The firing of the precipitate is preferably performed by adjusting the temperature using an electric furnace or the like.

本発明の反応性セラミックスを利用して、酸素放出反応と水素生成反応を繰り返して行う2段階水分解反応によって、水素と酸素を製造することができる。   By using the reactive ceramic of the present invention, hydrogen and oxygen can be produced by a two-stage water splitting reaction in which an oxygen releasing reaction and a hydrogen generating reaction are repeated.

酸素放出反応は、本発明の反応性セラミックスに集光太陽光エネルギを照射して加熱して、前記反応性セラミックスを還元して酸素を放出する反応である。
酸素放出反応
反応性セラミックスox=反応性セラミックスred+1/2O (3)
The oxygen releasing reaction is a reaction in which the reactive ceramic of the present invention is irradiated with condensed sunlight energy and heated to reduce the reactive ceramic and release oxygen.
Oxygen release reaction Reactive ceramics ox = Reactive ceramics red + 1 / 2O 2 (3)

反応性セラミックスを照射する集光太陽光エネルギは、反応炉の耐熱性と、反応性セラミックスの反応特性および耐熱性の観点から、エネルギフラックスが1000〜3000kW/mであることが好ましい。集光太陽光エネルギは、反応性セラミックスの酸素放出反応(吸熱反応)によって吸収される必要がある。 The concentrated solar energy for irradiating the reactive ceramics preferably has an energy flux of 1000 to 3000 kW / m 2 from the viewpoint of the heat resistance of the reactor, the reaction characteristics of the reactive ceramics, and the heat resistance. The concentrated solar energy needs to be absorbed by the oxygen release reaction (endothermic reaction) of the reactive ceramics.

酸素放出反応において、反応性セラミックスを加熱する温度は、1400〜1800℃程度、好ましくは1500〜1600℃程度である。本発明の反応セラミックスは、1400〜1800℃程度の従来の反応性セラミックスよりも低温で酸素放出反応を生起するものであり、この点で、ZrO(m.p.約2700℃)は、CeO(m.p.約2600℃)よりも低温で酸素放出反応を生起するため、焼結や融解によって酸素放出反応が停止することがないため、有効である。 In the oxygen releasing reaction, the temperature for heating the reactive ceramics is about 1400 to 1800 ° C, preferably about 1500 to 1600 ° C. The reactive ceramic of the present invention causes an oxygen releasing reaction at a lower temperature than conventional reactive ceramics of about 1400 to 1800 ° C. In this respect, ZrO 2 (mp about 2700 ° C.) is CeO 2 (mp Since the oxygen releasing reaction occurs at a temperature lower than about 2600 ° C., the oxygen releasing reaction is not stopped by sintering or melting, which is effective.

また、酸素放出反応における反応雰囲気は、酸素分圧0〜20%の範囲の雰囲気が好ましく、大気雰囲気でもよい。この点で、本発明の反応性セラミックスは、Ar等の不活性雰囲気中で酸素放出反応を行う必要がある従来の反応性セラミックスよりも実用上有効である。   The reaction atmosphere in the oxygen releasing reaction is preferably an oxygen partial pressure range of 0 to 20%, and may be an air atmosphere. In this respect, the reactive ceramic of the present invention is practically more effective than conventional reactive ceramics that require an oxygen releasing reaction in an inert atmosphere such as Ar.

水素生成反応は、酸素放出反応によって還元された反応性セラミックスを大気雰囲気中で水と反応させて前記反応性セラミックスを酸化して水素を生成する反応である。
水素生成反応
反応性セラミックスred+HO=MOox+H (2)
The hydrogen generation reaction is a reaction in which reactive ceramics reduced by an oxygen release reaction are reacted with water in the atmosphere to oxidize the reactive ceramics to generate hydrogen.
Hydrogen generation reaction Reactive ceramics red + H 2 O = MO ox + H 2 (2)

水素生成反応において、反応性セラミックスと反応させる水は、反応性セラミックスに対して、少なくとも当量以上の割合で加えて反応させることが好ましい。このとき、反応性セラミックスを加熱する温度は、300〜1200℃程度、好ましくは400〜600℃である。
を行う2段階水分解反応を繰り返して行うことを特徴とする水素の製造方法。
In the hydrogen generation reaction, it is preferable that the water to be reacted with the reactive ceramic is added to the reactive ceramic at a ratio of at least an equivalent and reacted. At this time, the temperature which heats a reactive ceramic is about 300-1200 degreeC, Preferably it is 400-600 degreeC.
A method for producing hydrogen, wherein the two-stage water splitting reaction is repeated.

以上のように、還元反応(酸素放出反応)と水分解反応(水素生成反応)を繰り返すことにより、水と太陽エネルギーから連続的に水素を製造することができる。   As described above, hydrogen can be continuously produced from water and solar energy by repeating the reduction reaction (oxygen release reaction) and the water splitting reaction (hydrogen generation reaction).

本発明の反応性セラミックスを用いて水素を製造する装置として、本発明の反応性セラミックスを配設した2段階水分解反応部と、前記2段階水分解反応部に太陽光エネルギを供給する太陽光供給部と、前記2段階水分解反応部に水を供給する水供給部と、を備え、前記2段階水分解反応部において、前記太陽光供給部から太陽光エネルギを供給して前記反応性セラミックスを大気雰囲気中で加熱して、前記反応性セラミックスを還元して酸素を生成し、さらに、前記還元された反応性セラミックスを水と反応させて前記還元された反応性セラミックスを酸化して水素を生成する2段階水分解反応を繰り返して行う装置が有用である。   As an apparatus for producing hydrogen using the reactive ceramic of the present invention, a two-stage water splitting reaction section provided with the reactive ceramic of the present invention, and sunlight supplying solar energy to the two-stage water splitting reaction section And a water supply unit that supplies water to the two-stage water splitting reaction unit, wherein the reactive ceramics supplies solar energy from the solar power supply unit in the two-stage water splitting reaction unit. Is heated in an air atmosphere to reduce the reactive ceramics to produce oxygen, and further, the reduced reactive ceramics are reacted with water to oxidize the reduced reactive ceramics to generate hydrogen. An apparatus that repeats the generated two-stage water splitting reaction is useful.

この水素製造装置において、太陽光エネルギを供給して前記反応性セラミックスを大気雰囲気中に加熱する温度は、好ましくは1400〜1800℃、特に好ましくは1500〜1600℃の範囲である。また、還元された反応性セラミックスを水と反応させる際の加熱温度は、好ましくは300〜1200℃、特に好ましくは400〜600℃の範囲である。   In this hydrogen production apparatus, the temperature at which solar energy is supplied to heat the reactive ceramics into the air atmosphere is preferably in the range of 1400 to 1800 ° C, particularly preferably 1500 to 1600 ° C. Moreover, the heating temperature at the time of making the reduced reactive ceramics react with water becomes like this. Preferably it is 300-1200 degreeC, Most preferably, it is the range of 400-600 degreeC.

この水素製造装置の具体例として、図1(a)に示す装置が挙げられる。
この水素製造装置1は、回転ロータ2の外周に沿って複数の反応セル3が、反応性セラミックス4を外側に向けて周設された構造を有し、反応性セラミックスによる酸素放出反応を行う酸素放出セル5と、反応性セラミックスによる水素生成反応を行う水素生成セル6とを備える。
A specific example of this hydrogen production apparatus is the apparatus shown in FIG.
This hydrogen production apparatus 1 has a structure in which a plurality of reaction cells 3 are arranged around the outer periphery of a rotary rotor 2 with the reactive ceramics 4 facing outward, and oxygen is released by the reactive ceramics. A discharge cell 5 and a hydrogen generation cell 6 for performing a hydrogen generation reaction with reactive ceramics are provided.

反応セル3は、図1(b)に示すように、断面円弧状の反応性セラミックス4を断熱材3aおよび3bとともに、ステンレススチール製のケース3cに取り付けた構造を有するものである。そして、反応性セラミックス4は、回転ロータ2の外周に反応セル3を取り付けたときに、反応性セラミックス4が、回転ロータ2の外側に上面が向かうように、反応セル3に配設される。   As shown in FIG. 1B, the reaction cell 3 has a structure in which a reactive ceramic 4 having a circular arc cross section is attached to a stainless steel case 3c together with heat insulating materials 3a and 3b. The reactive ceramic 4 is disposed in the reaction cell 3 so that the upper surface of the reactive ceramic 4 faces the outside of the rotary rotor 2 when the reaction cell 3 is attached to the outer periphery of the rotary rotor 2.

酸素放出セル5は、集光太陽光を導入して反応セル3に照射するために外側に設けられた太陽光導入用石英窓5aと、導入された集光太陽光を通すために外側円筒体7に設けられた窓5bを有すると、石英窓支持体7a,7bとで囲まれた閉空間を構成している。そして、酸素放出反応によって生成した酸素を導出する酸素出口5cと、生成した酸素を導出するためのキャリヤガス(例えば、Ar)を導入するためのガス導入口5dとを有する。   The oxygen release cell 5 includes a sunlight introduction quartz window 5a provided outside for introducing the condensed sunlight and irradiating the reaction cell 3, and an outer cylindrical body for passing the introduced condensed sunlight. 7 has a closed space surrounded by the quartz window supports 7a and 7b. And it has the oxygen outlet 5c which derives | leads-out oxygen produced | generated by oxygen release reaction, and the gas inlet 5d for introduce | transducing the carrier gas (for example, Ar) for deriving the produced | generated oxygen.

水素生成セル6は、反応性セラミックス4を加熱するための集光太陽光を導入する石英窓6aと、導入された集光太陽光を通すために外側円筒体7に設けられた窓6bと、石英窓支持体8a,8bとで囲まれた閉空間を構成している。そして、水素生成反応によって生成した水素を導出する水素出口6cと、生成した反応性セラミックス4に水蒸気を供給するための水蒸気入口6dとを有する。   The hydrogen generation cell 6 includes a quartz window 6a for introducing condensed sunlight for heating the reactive ceramics 4, a window 6b provided in the outer cylindrical body 7 for allowing the introduced condensed sunlight to pass through, A closed space surrounded by the quartz window supports 8a and 8b is formed. And it has the hydrogen outlet 6c which leads out the hydrogen produced | generated by hydrogen production reaction, and the water vapor inlet 6d for supplying water vapor | steam to the produced | generated reactive ceramics 4. FIG.

この水素製造装置1においては、回転ロータ2を矢印Aの方向に回転し、反応セル3が酸素放出セル5内に入ると、太陽光導入用石英窓5aから窓5bを通って、集光太陽光が反応セル3の反応性セラミックス4に照射されて1400〜1800℃に加熱される。これによって、反応性セラミックス4が酸素放出反応が生起され、反応セラミックス4から酸素が放出される。放出された酸素は、ガス導入口5dから導入されるキャリヤガスによって、酸素出口5cから外部で導出される。   In this hydrogen production apparatus 1, when the rotary rotor 2 is rotated in the direction of arrow A and the reaction cell 3 enters the oxygen release cell 5, the solar light is introduced from the sunlight introducing quartz window 5 a through the window 5 b. Light is irradiated to the reactive ceramics 4 of the reaction cell 3 and heated to 1400-1800 ° C. As a result, the reactive ceramic 4 causes an oxygen releasing reaction, and oxygen is released from the reactive ceramic 4. The released oxygen is led out from the oxygen outlet 5c by the carrier gas introduced from the gas inlet 5d.

次に、酸素放出セル5内での酸素放出反応によって還元された反応性セラミックス4が配設された反応セル3は、回転ロータ2の回転に伴って、水素生成セル6に入る。そして、石英窓6aから窓6bを通って、集光太陽光が反応セル3の還元された反応性セラミックス4に照射されて、300〜1200℃に加熱されるとともに、水蒸気入口6dから導入される水蒸気と反応して水素を生成する。生成した水素は、水素出口6cから外部に取り出される。   Next, the reaction cell 3 in which the reactive ceramic 4 reduced by the oxygen release reaction in the oxygen release cell 5 is disposed enters the hydrogen generation cell 6 as the rotary rotor 2 rotates. Then, the condensed sunlight is irradiated from the quartz window 6a through the window 6b to the reduced reactive ceramic 4 of the reaction cell 3, heated to 300 to 1200 ° C., and introduced from the water vapor inlet 6d. Reacts with water vapor to produce hydrogen. The produced hydrogen is taken out from the hydrogen outlet 6c.

以上のように、この水素製造装置1においては、回転ロータ2の回転に伴って、反応性セラミックス4が、酸素放出セル5内で酸素放出反応、水素生成セル6内で水素生成反応を繰り返して行うことができる。これによって、集光太陽光のエネルギを利用して、水素を連続的かつ効率的に製造することができる。また、酸素放出反応によって生成する酸素も、有効に利用することができる。   As described above, in this hydrogen production apparatus 1, as the rotary rotor 2 rotates, the reactive ceramic 4 repeats the oxygen release reaction in the oxygen release cell 5 and the hydrogen generation reaction in the hydrogen generation cell 6. It can be carried out. Thereby, hydrogen can be continuously and efficiently produced using the energy of the concentrated sunlight. In addition, oxygen generated by the oxygen releasing reaction can also be used effectively.

以下、本発明の実施例および比較例によって、本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples and comparative examples of the present invention, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
CeとZrを、それぞれCe/Zrのモル比で100/0、80/20および60/40で固溶させた試料を、シュウ酸塩共沈法で下記のようにして調製した。
Example 1
Samples in which Ce and Zr were dissolved in the molar ratios of Ce / Zr at 100/0, 80/20 and 60/40, respectively, were prepared by the oxalate coprecipitation method as follows.

CeイオンおよびZrイオンをモル比Ce/Zrで100/0、80/20および60/40で含む硝酸塩水溶液と、シュウ酸水溶液とを当量混合した混合溶液のそれぞれに、アンモニア水溶液を加えてpH3.2に調整し、24時間攪拌した後、遠心分離して沈殿物を分離した。得られた沈殿物のそれぞれを、80℃で24時間乾燥した後、1000℃の電気炉で1時間焼成して、セラミックス試料を得た。   An aqueous ammonia solution was added to each of the mixed solutions in which an aqueous nitrate solution containing Ce ions and Zr ions at a molar ratio of Ce / Zr of 100/0, 80/20, and 60/40 and an aqueous oxalic acid solution were mixed, and pH 3. After adjusting to 2 and stirring for 24 hours, the precipitate was separated by centrifugation. Each of the obtained precipitates was dried at 80 ° C. for 24 hours and then fired in an electric furnace at 1000 ° C. for 1 hour to obtain a ceramic sample.

得られたセラミックス試料について、X線回折装置(理学電気(株)製、RINT2100;CuKα線)を用いて、X線回折パターンを測定した。得られたX線回折パターンを図2に示す。   About the obtained ceramic sample, the X-ray-diffraction pattern was measured using the X-ray-diffraction apparatus (The Rigaku Electric Co., Ltd. make, RINT2100; CuK alpha ray). The obtained X-ray diffraction pattern is shown in FIG.

図2に示すX線回折パターンから、それぞれCe/Zrのモル比で100/0、80/20および60/40で固溶させた試料のいずれも、CeOの蛍石型構造に由来する立方晶の結晶系を主に含み、CeO(Ce/Zrのモル比:100/0)は立方晶のみ、Ce0.8Zr0.2(Ce/Zrのモル比:80/20)は立方晶と極微量の正方晶、Ce0.6Zr0.4(Ce/Zrのモル比:60/40)は立方晶と正方晶の2つの結晶系を含むものであることが確認された。また、X線回折パターンで確認された回折ピークは、全てCeOとZrOの固溶体によるものであることが分かった。 From the X-ray diffraction pattern shown in FIG. 2, each of the samples solid-solved at Ce / Zr molar ratios of 100/0, 80/20, and 60/40 is cubic derived from the fluorite structure of CeO 2. The crystal system mainly includes CeO 2 (Ce / Zr molar ratio: 100/0), only cubic crystals, Ce 0.8 Zr 0.2 O 2 (Ce / Zr molar ratio: 80/20) Is a cubic crystal and a very small amount of tetragonal crystal, and Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 (Ce / Zr molar ratio: 60/40) is confirmed to contain two crystal systems of a cubic crystal and a tetragonal crystal. It was. It was also found that all diffraction peaks confirmed by the X-ray diffraction pattern were due to a solid solution of CeO 2 and ZrO 2 .

次に、図3に示す酸素放出反応および水素生成反応を行うための実験装置31を用いて、得られたセラミックス試料について酸素放出反応を行った。
実験装置31は、内部に白金網33aを配設した反応部33を有する石英管からなる反応管32と、反応管32の外側に配置した赤外イメージ炉34と、反応部33に管路35aを通じて水蒸気を供給する水蒸気発生装置36と、反応部33で発生し、管路35bを通じて導出されるガスを分析する分析部37とを備えるものである。反応部33には、温度を測定するための熱電対38が挿入されている。水蒸気発生装置36は、水を貯留する水貯留部61と、水貯留部61から水を水蒸気発生部63に供給するマイクロポンプ62と、蒸気発生部63に供給された水を加熱して水蒸気を発生させる電気炉64と、ガスを導入するガス導入口65a,65bとを備えるものである。また、分析部37は、反応部33で発生したガスを冷却水によって一次冷却する一次冷却部71と、一次冷却部71で一次冷却されたガスをさらに氷によって冷却する二次冷却部72と、二次冷却部72に連結され、二次冷却部72からガスを直接導入して質量分析する直接ガス質量分析計73とを備えるものである。また、39a,39bは、管路切り替え弁であり、40はガス導入口である。
Next, using the experimental apparatus 31 for performing the oxygen release reaction and the hydrogen generation reaction shown in FIG. 3, the obtained ceramic sample was subjected to an oxygen release reaction.
The experimental apparatus 31 includes a reaction tube 32 made of a quartz tube having a reaction part 33 in which a platinum net 33a is disposed, an infrared image furnace 34 disposed outside the reaction tube 32, and a pipe line 35a to the reaction part 33. A water vapor generator 36 for supplying water vapor and an analysis unit 37 for analyzing the gas generated in the reaction unit 33 and led out through the pipe line 35b. A thermocouple 38 for measuring temperature is inserted in the reaction unit 33. The steam generator 36 includes a water storage unit 61 that stores water, a micropump 62 that supplies water from the water storage unit 61 to the steam generation unit 63, and water that is supplied to the steam generation unit 63 to heat the water to generate steam. An electric furnace 64 to be generated and gas introduction ports 65a and 65b for introducing gas are provided. The analysis unit 37 includes a primary cooling unit 71 that primarily cools the gas generated in the reaction unit 33 with cooling water, a secondary cooling unit 72 that further cools the gas primarily cooled in the primary cooling unit 71 with ice, A direct gas mass spectrometer 73 is connected to the secondary cooling unit 72 and directly introduces gas from the secondary cooling unit 72 to perform mass analysis. Further, 39a and 39b are conduit switching valves, and 40 is a gas inlet.

この実験装置1の反応管32内の白金網33にセラミックス試料を載置し、セラミックス試料Sに赤外イメージ炉34を擬似集光太陽光として赤外線を照射して加熱し酸素放出反応実験を行った。実験は、管路切り替え弁39aを閉じ、管路切り替え弁39bを開き、ガス導入口40から、Arガスまたは空気を反応部33に供給して、反応性のセラミックス試料Sの酸素放出反応を行った。このとき、熱電対38により反応性のセラミックス試料Sの温度を測定しながら、赤外イメージ炉33からの赤外線による反応性のセラミックス試料Sの加熱を、昇温速度が200℃/minとなるように調整した。そして、反応性のセラミックス試料Sをアルゴンまたは空気を供給しながら、1500℃で5分間酸素放出反応を行った。酸素放出反応で生成したガスを、管路5bを通じて分析部7に導出し、一次冷却部71および二次冷却部72で冷却した後、直接ガス質量分析計73に導入して、酸素量を測定した。各セラミックス試料S(CeO、Ce0.8Zr0.2、Ce0.6Zr0.4)について測定した酸素放出量を表1に示す。その結果、CeO、Ce0.8Zr0.2は、酸素分圧が約20%となる空気中では、ほとんど酸素放出反応が進行しないが、Ce0.6Zr0.4では、1.08g/cmの酸素放出量が得られた。 A ceramic sample is placed on the platinum net 33 in the reaction tube 32 of the experimental apparatus 1, and the ceramic sample S is heated by irradiating the infrared image furnace 34 with infrared rays as pseudo-condensed sunlight to perform an oxygen release reaction experiment. It was. In the experiment, the pipeline switching valve 39a is closed, the pipeline switching valve 39b is opened, and Ar gas or air is supplied from the gas inlet 40 to the reaction unit 33 to perform the oxygen release reaction of the reactive ceramic sample S. It was. At this time, while the temperature of the reactive ceramic sample S is measured by the thermocouple 38, the heating of the reactive ceramic sample S by infrared rays from the infrared image furnace 33 is performed so that the temperature rising rate becomes 200 ° C./min. Adjusted. The reactive ceramic sample S was subjected to an oxygen releasing reaction at 1500 ° C. for 5 minutes while supplying argon or air. The gas generated by the oxygen release reaction is led out to the analysis unit 7 through the pipe 5b, cooled by the primary cooling unit 71 and the secondary cooling unit 72, and then directly introduced into the gas mass spectrometer 73 to measure the amount of oxygen. did. Table 1 shows the oxygen release amount measured for each ceramic sample S (CeO 2 , Ce 0.8 Zr 0.2 O 2 , Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 ). As a result, CeO 2 and Ce 0.8 Zr 0.2 O 2 hardly undergo oxygen release reaction in air where the oxygen partial pressure is about 20%, but Ce 0.6 Zr 0.4 O 2. Then, an oxygen release amount of 1.08 g / cm 3 was obtained.

Figure 2009263165
Figure 2009263165

次に、酸素放出反応終了後のセラミックス試料Sを急冷し、それぞれX線回折パターンを測定した。酸素放出反応後のX線回折パターンを図4に示す。
この図4に示すX線回折パターンから、以下のことが推定される。
すなわち、通常、酸素欠損が生成するとX線回折パターンのピークは低角度側にずれる。また、カチオン移動が起こり全体に占めるCeの比が増大するとピークは低角度側にずれる。一方、Ar中の酸素放出反応後では、立方晶、正方晶のピークとも低角度側にずれているが、空気中での酸素放出反応後では、立方晶のピークは高角度側にずれている。これは立方晶と正方晶間でカチオン移動が起こり全体に占めるCeの比が変化したためだと考えられる。また、Ce0.6Zr0.4は、通常、1500℃付近で立方晶−正方晶の相転移が起こることが知られており(Yashima, M. and Yoshimura, M., 1995: Phase Transition and Phase Diagram of Zrconia Ceramics, Materia Japan, 34(4), 448-453.)、この空気中での特異な酸素放出反応の進行は、立方晶と正方晶の相互作用を伴う酸素欠損生成に起因すると示唆される。また、酸素放出反応後の試料は500℃付近で水分解反応が進行でき、酸素放出過程において焼結も進行しないため、連続的な水素生産が可能である。
Next, the ceramic sample S after completion of the oxygen release reaction was rapidly cooled, and an X-ray diffraction pattern was measured for each. The X-ray diffraction pattern after the oxygen release reaction is shown in FIG.
From the X-ray diffraction pattern shown in FIG.
That is, normally, when oxygen vacancies are generated, the peak of the X-ray diffraction pattern shifts to the low angle side. Further, when cation migration occurs and the ratio of Ce in the whole increases, the peak shifts to the low angle side. On the other hand, after the oxygen release reaction in Ar, both the cubic and tetragonal peaks are shifted to the low angle side, but after the oxygen release reaction in air, the cubic peak is shifted to the high angle side. . This is probably because cation migration occurred between the cubic and tetragonal crystals and the ratio of Ce in the whole changed. Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 is generally known to undergo a cubic-tetragonal phase transition around 1500 ° C. (Yashima, M. and Yoshimura, M., 1995: Phase Transition and Phase Diagram of Zrconia Ceramics, Materia Japan, 34 (4), 448-453.), The progress of this unique oxygen release reaction in the air leads to the generation of oxygen deficiency accompanied by the interaction between cubic and tetragonal crystals. Suggested to be due. In addition, the sample after the oxygen release reaction can undergo a water splitting reaction at around 500 ° C., and sintering does not proceed in the oxygen release process, so that continuous hydrogen production is possible.

(比較例1)
CeとZrをモル比で60:40で固溶させたセラミックス試料を錯体重合法で下記のようにして調製した。
酢酸セリウム(Ce(CHCOO)・HO,3.516g)とオキシ塩化ジルコニウム(ZrOCl・8HO、2.44g)を、蒸留水91.5mlに溶解した混合溶液を、クエン酸−エチレングリコール溶液(エチレングリコール28.0ml、クエン酸22.49g)と混合し、400−600℃で加熱重合させた。その後、約350℃で加熱して非結晶の前駆体を得た。この前駆体を、空気中で1000℃まで約10℃/minの昇温速度で昇温させて加熱して結晶化させ、さらに、有機物が完全に除去されるまで1000℃を保持して、焼成してセラミックス試料を得た。
(Comparative Example 1)
A ceramic sample in which Ce and Zr were dissolved at a molar ratio of 60:40 was prepared by the complex polymerization method as follows.
Cerium acetate (Ce (CH 3 COO) 3 · H 2 O, 3.516g) and zirconium oxychloride (ZrOCl 2 · 8H 2 O, 2.44g) and the mixture solution was dissolved in distilled water 91.5Ml, citric This was mixed with an acid-ethylene glycol solution (ethylene glycol 28.0 ml, citric acid 22.49 g), and polymerized by heating at 400-600 ° C. Then, it heated at about 350 degreeC and the amorphous precursor was obtained. The precursor is heated to 1000 ° C. in air at a heating rate of about 10 ° C./min to be crystallized by heating, and further maintained at 1000 ° C. until the organic substances are completely removed. Thus, a ceramic sample was obtained.

この錯体重合法で調製されたセラミックス試料は、X線回折法で分析したところ、正方晶の結晶系のみで形成されていることが確認された。   The ceramic sample prepared by this complex polymerization method was analyzed by an X-ray diffraction method, and it was confirmed that the ceramic sample was formed only by a tetragonal crystal system.

(実施例2)
図3に示した実験装置31を用いて、実施例1で得られたCe0.6Zr0.4の反応性セラミックス試料の2段階水分解反応実験を行った。
実験装置1の反応部33の白金網33aに反応性セラミックス試料Ce0.6Zr0.4を載置し、Arガスを100ml/minを供給するとともに、赤外イメージ炉34から赤外線を照射して1500℃で5分間加熱して酸素放出反応を行った。次に、水蒸気(450ml/min)とArガス(100ml/min)の混合ガスを反応部33に供給するとともに、500℃、1000℃、800℃、600℃、400℃、500℃で、それぞれ5分間加熱して水素生成反応を行った。そして、各反応で発生した酸素および水素の量を分析部7の直接ガス質量分析計73で測定した。このときの1500℃(1773K)における酸素放出反応における酸素放出量を図5(a)に、500℃(773K)における水素生成反応における水素の生成量を図5(b)に示す。
(Example 2)
Using the experimental apparatus 31 shown in FIG. 3, a two-stage water decomposition reaction experiment was performed on the Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 reactive ceramic sample obtained in Example 1.
The reactive ceramic sample Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 is placed on the platinum net 33 a of the reaction unit 33 of the experimental apparatus 1, Ar gas is supplied at 100 ml / min, and infrared rays are emitted from the infrared image furnace 34. The oxygen release reaction was performed by irradiation and heating at 1500 ° C. for 5 minutes. Next, a mixed gas of water vapor (450 ml / min) and Ar gas (100 ml / min) is supplied to the reaction section 33, and at 500 ° C., 1000 ° C., 800 ° C., 600 ° C., 400 ° C. and 500 ° C., 5 ° C., respectively. Hydrogen generation reaction was performed by heating for a minute. Then, the amounts of oxygen and hydrogen generated in each reaction were measured by the direct gas mass spectrometer 73 of the analysis unit 7. FIG. 5A shows the oxygen release amount in the oxygen release reaction at 1500 ° C. (1773 K) at this time, and FIG. 5B shows the hydrogen generation amount in the hydrogen generation reaction at 500 ° C. (773 K).

図5(a)および(b)に示すとおり、主に立方晶の結晶系で構成される反応性セラミックス試料Ce0.6Zr0.4では、水素生成反応が非常に早く進行することが分かった。また、500℃付近で、水素の生成量が最大値を示している。このことは、実施例1で調製した反応セラミックス試料CeOおよびCe0.8Zr0.2においても同様であった。 As shown in FIGS. 5A and 5B, in the reactive ceramic sample Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 mainly composed of a cubic crystal system, the hydrogen generation reaction proceeds very quickly. I understood. Further, the hydrogen generation amount shows a maximum value around 500 ° C. This was the same for the reaction ceramic samples CeO 2 and Ce 0.8 Zr 0.2 O 2 prepared in Example 1.

以上のとおり、主に立方晶の結晶系で構成される反応性セラミックス試料Ce0.6Zr0.4では、水素の生成量が最大値を示す温度は、500℃付近であり、従来の反応性セラミックス(例えば、フェライト系等の水素生成反応温度:100℃以上)と比較して、大幅に低い温度で水素が生成できることが分かった。 As described above, in the reactive ceramic sample Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 mainly composed of a cubic crystal system, the temperature at which the hydrogen generation amount shows the maximum value is around 500 ° C. It was found that hydrogen can be generated at a significantly lower temperature than the reactive ceramics (for example, ferrite-based hydrogen generation reaction temperature: 100 ° C. or higher).

(比較例2)
比較例1で調製した、正方晶の結晶系のみで形成された反応性セラミックスCe0.6Zr0.4を用いて、実施例2と同様にして2段階水分解反応実験を行った。
この実験において、酸素放出反応は1500℃で5分間行い、水素生成反応は、酸素放出反応後に、500℃、1000℃、1200℃、1300℃、1100℃でそれぞれ5分間行った。1500℃(1773K)での酸素放出反応における酸素放出量を図6(a)に、500℃(773K)での水素生成反応における水素の生成量を図6(b)に示す。但し、1200℃では、白金の水分解反応が進行するため、図6(b)に示す水素の生成量は、水蒸気の供給時の酸素発生量から化学量論的に計算される白金の水分解反応による水素の生成量を除いた値を示す。
(Comparative Example 2)
Using the reactive ceramic Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 formed only by the tetragonal crystal system prepared in Comparative Example 1, a two-stage water splitting reaction experiment was conducted in the same manner as in Example 2. .
In this experiment, the oxygen release reaction was performed at 1500 ° C. for 5 minutes, and the hydrogen generation reaction was performed at 500 ° C., 1000 ° C., 1200 ° C., 1300 ° C., and 1100 ° C. for 5 minutes after the oxygen release reaction. FIG. 6A shows the oxygen release amount in the oxygen release reaction at 1500 ° C. (1773 K), and FIG. 6B shows the hydrogen generation amount in the hydrogen generation reaction at 500 ° C. (773 K). However, since the water decomposition reaction of platinum proceeds at 1200 ° C., the hydrogen generation amount shown in FIG. 6B is the platinum water decomposition calculated stoichiometrically from the oxygen generation amount at the time of supplying steam. The value excluding the amount of hydrogen produced by the reaction is shown.

図6(a)および(b)に示す結果から、実施例1で得られた反応性セラミックスCe0.6Zr0.4を用いた場合と異なり、比較例1で得られた反応性セラミックスは、水素生成反応が500℃では生起せず、1000℃以上で生起することが分かる。また、水素の生成量が最大値を示す温度(最適水素生成反応温度)は1200℃付近である。さらに、実施例1で得られた反応性セラミックスCe0.6Zr0.4と比較すると、1回目の酸素放出反応以外は、酸素放出反応および水素生成反応の両反応が、反応速度が遅く、酸素の生成量の少ない。 From the results shown in FIGS. 6 (a) and (b), the reactivity obtained in Comparative Example 1 was different from the case where the reactive ceramic Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 obtained in Example 1 was used. It can be seen that in ceramics, the hydrogen generation reaction does not occur at 500 ° C., but occurs at 1000 ° C. or higher. Further, the temperature at which the amount of hydrogen generation reaches the maximum value (optimum hydrogen generation reaction temperature) is around 1200 ° C. Furthermore, when compared with the reactive ceramic Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 obtained in Example 1, both the oxygen releasing reaction and the hydrogen generating reaction have a reaction rate other than the first oxygen releasing reaction. Slow and produces little oxygen.

これらの結果から、比較例1の錯体重合法で得られた正方晶の結晶系のみで形成される反応性セラミックスCe0.6Zr0.4と、実施例1のシュウ酸共沈法で得られた主に立方晶の結晶系で構成される反応性セラミックス試料Ce0.6Zr0.4とでは、同一の組成でも、結晶系が異なると、反応性が大きく異なることが分かった。 From these results, the reactive ceramic Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 formed only by the tetragonal crystal system obtained by the complex polymerization method of Comparative Example 1 and the oxalic acid coprecipitation method of Example 1 were obtained. With the reactive ceramic sample Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 mainly composed of a cubic crystal system obtained in the above, the reactivity may be greatly different if the crystal system is different even with the same composition. I understood.

(実施例3)
実験装置31を用いて、実施例2と同様にして、実施例1で得られた反応性セラミックスCeO、Ce0.8Zr0.2およびCe0.6Zr0.4のそれぞれについて、異なる酸素放出反応温度における2段階水分解反応を行った。酸素放出反応は、1500℃、1400℃、1300℃、1200℃で2回ずつ(1500℃でのみ3回ずつ)5分間行った。各酸素放出反応終了後、水素生成反応を、500℃で5分間行った。このときの水素の生成量の酸素放出反応温度依存性を図6に示す。
(Example 3)
Using the experimental apparatus 31, in the same manner as in Example 2, the reactive ceramics CeO 2 , Ce 0.8 Zr 0.2 O 2 and Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 obtained in Example 1 were used. Each was subjected to a two-stage water splitting reaction at different oxygen release reaction temperatures. The oxygen releasing reaction was performed twice at 1500 ° C., 1400 ° C., 1300 ° C., and 1200 ° C. for 5 minutes each (3 times only at 1500 ° C.) for 5 minutes. After completion of each oxygen releasing reaction, a hydrogen generation reaction was performed at 500 ° C. for 5 minutes. FIG. 6 shows the oxygen release reaction temperature dependence of the amount of hydrogen produced at this time.

図7に示すとおり、ほぼ同一の結晶構造を有する反応性セラミックスCeOおよびCe0.8Zr0.2を比較すると、いずれの酸素放出反応温度においても、酸素の放出量および水素の生成量は、反応性セラミックスCe0.6Zr0.4の方が大きいことが分かる。 As shown in FIG. 7, when the reactive ceramics CeO 2 and Ce 0.8 Zr 0.2 O 2 having almost the same crystal structure are compared, the oxygen release amount and the hydrogen generation at any oxygen release reaction temperature It can be seen that the amount of reactive ceramic Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 is larger.

(実施例3)
実験装置31を用いて、実施例1で得られた、主に立方晶の結晶系で構成される反応性セラミックスCe0.6Zr0.4を用いて酸素放出反応(1500℃、5分間)、水素生成反応(500℃、5分間)を交互に5回繰り返す2段階水分解反応を行った。そして、このときの酸素放出量、水素の生成量を、それぞれ図8(a)および(b)に示した。
(Example 3)
Using the experimental apparatus 31, the oxygen release reaction (1500 ° C., 5 ° C.) using the reactive ceramic Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 mainly composed of a cubic crystal system obtained in Example 1. Minute) and hydrogen generation reaction (500 ° C., 5 minutes) was repeated two times to perform a two-stage water splitting reaction. The oxygen release amount and the hydrogen generation amount at this time are shown in FIGS. 8A and 8B, respectively.

図8(a)および(b)に示すとおり、一回目の酸素放出量が二回目以降の酸素放出量より大きく、また、それ以外の酸素放出量および水素の生成量はサイクルを繰り返し行ってもほぼ一定であることが分かった。   As shown in FIGS. 8A and 8B, the first oxygen release amount is larger than the second and subsequent oxygen release amounts, and other oxygen release amounts and hydrogen generation amounts can be obtained even if the cycle is repeated. It turned out to be almost constant.

水素製造装置の具体例を示す概略模式図である。It is a schematic diagram which shows the specific example of a hydrogen production apparatus. 実施例1で得られた反応性セラミックスのX線回折パターンを示す図である。2 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the reactive ceramic obtained in Example 1. FIG. 酸素放出反応および水素生成反応を行うための実験装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the experimental apparatus for performing oxygen releasing reaction and hydrogen production reaction. 実施例1で得られた反応性セラミックスの酸素放出反応終了後のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern after completion | finish of oxygen releasing reaction of the reactive ceramics obtained in Example 1. FIG. (a)は、実施例1で調製した反応性セラミックスの酸素放出量、(b)は、水素の生成量を示す図である。(A) is an oxygen release amount of the reactive ceramic prepared in Example 1, and (b) is a diagram showing a hydrogen generation amount. (a)は、比較例1で調製した反応性セラミックスの酸素放出量、(b)は、水素の生成量を示す図である。(A) is an oxygen release amount of the reactive ceramic prepared in Comparative Example 1, and (b) is a diagram showing a hydrogen generation amount. 実施例1で得られた反応性セラミックスのそれぞれについて、2段階水分解反応における水素の生成量の酸素放出反応温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the oxygen release reaction temperature dependence of the production amount of hydrogen in a two-stage water splitting reaction about each of the reactive ceramics obtained in Example 1. 実施例1で得られた反応性セラミックスCe0.6Zr0.4を用いて酸素放出反応と水素生成反応を交互に5回繰り返す2段階水分解反応における酸素放出量および水素の生成量を示す図である。Using the reactive ceramic Ce 0.6 Zr 0.4 O 2 obtained in Example 1, the oxygen release amount and the hydrogen generation amount in the two-stage water splitting reaction in which the oxygen release reaction and the hydrogen generation reaction are alternately repeated five times. FIG. 反応性セラミックスを用いた二段階水分解反応による水素の製造を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining manufacture of hydrogen by the two-stage water splitting reaction using reactive ceramics.

符号の説明Explanation of symbols

1 水素製造装置
2 回転ロータ
3 反応セル
3a,3b 断熱材
3c ケース
4 反応性セラミックス
5 酸素放出セル
5a 太陽光導入用石英窓
5b 窓
5c 酸素出口
5d ガス導入口
6 水素生成セル
6a 石英窓
6b 窓
6c 水素出口
7 外側円筒体
6d 水蒸気入口
7a,7b 石英窓支持体
8a,8b 石英窓支持体
31 実験装置
32 反応管
33 反応部
33a 白金網
34 赤外イメージ炉
35a,35b 管路
36 水蒸気発生装置
61 水貯留部
62 マイクロポンプ
63 水蒸気発生部
64 電気炉
65a,65b ガス導入口
37 分析部
71 一次冷却部
72 二次冷却部
73 直接ガス質量分析計
38 熱電対
39a,39b 管路切り替え弁
40 ガス導入口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen production apparatus 2 Rotating rotor 3 Reaction cell 3a, 3b Heat insulation material 3c Case 4 Reactive ceramics 5 Oxygen release cell 5a Quartz window for sunlight introduction 5b Window 5c Oxygen exit 5d Gas introduction port 6 Hydrogen production cell 6a Quartz window 6b Window 6c Hydrogen outlet 7 Outer cylindrical body 6d Water vapor inlet 7a, 7b Quartz window support 8a, 8b Quartz window support 31 Experimental apparatus 32 Reaction tube 33 Reaction section 33a Platinum net 34 Infrared image furnace 35a, 35b Pipe line 36 Water vapor generation apparatus 61 Water storage unit 62 Micro pump 63 Water vapor generation unit 64 Electric furnace 65a, 65b Gas inlet 37 Analysis unit 71 Primary cooling unit 72 Secondary cooling unit 73 Direct gas mass spectrometer 38 Thermocouple 39a, 39b Pipe switching valve 40 Gas Introduction

Claims (7)

セリウムおよびジルコニウムを含む固溶体からなり、立方晶と正方晶の結晶系が共存することを特徴とする反応性セラミックス。   A reactive ceramic comprising a solid solution containing cerium and zirconium, wherein a cubic crystal system and a tetragonal crystal system coexist. 前記セリウム/ジルコニウムのモル比が、90/10〜20/80であることを特徴とする請求項1に記載の反応性セラミックス。   The reactive ceramic according to claim 1, wherein the cerium / zirconium molar ratio is 90/10 to 20/80. 前記セリウム/ジルコニウムのモル比が、80/20〜50/50であることを特徴とする請求項1に記載の反応性セラミックス。   The reactive ceramic according to claim 1, wherein the cerium / zirconium molar ratio is 80/20 to 50/50. セリウム硝酸塩と、ジルコニウム硝酸塩とを含む硝酸塩水溶液を、シュウ酸水溶液と混合して沈殿物を生成する工程と、
前記沈殿物を含む懸濁液のpHを0〜7に調整する工程と、
前記沈殿物を焼成する工程と、
を含むことを特徴とする反応性セラミックスの製造方法。
Mixing a nitrate aqueous solution containing cerium nitrate and zirconium nitrate with an oxalic acid aqueous solution to form a precipitate;
Adjusting the pH of the suspension containing the precipitate to 0-7;
Firing the precipitate;
A process for producing reactive ceramics, comprising:
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の反応性セラミックスを用いて水素を製造する方法であって、
前記反応性セラミックスに集光太陽光エネルギを照射して大気雰囲気中で1400〜1800℃に加熱して、前記反応性セラミックスを還元して酸素を放出する酸素放出反応と、
前記還元された反応性セラミックスを300〜1200℃で水と反応させて前記反応性セラミックスを酸化して水素を生成する水素生成反応と、
を行う2段階水分解反応を繰り返して行うことを特徴とする水素の製造方法。
A method for producing hydrogen using the reactive ceramic according to any one of claims 1 to 3,
An oxygen release reaction in which the reactive ceramic is irradiated with concentrated solar energy and heated to 1400 to 1800 ° C. in an air atmosphere to reduce the reactive ceramic and release oxygen;
A hydrogen generation reaction in which the reduced reactive ceramic is reacted with water at 300 to 1200 ° C. to oxidize the reactive ceramic to generate hydrogen;
A method for producing hydrogen, wherein the two-stage water splitting reaction is repeated.
前記集光太陽光エネルギのエネルギフラックスが1000〜3000kW/mであることを特徴とする請求項5に記載の水素の製造方法。 6. The method for producing hydrogen according to claim 5, wherein an energy flux of the concentrated sunlight energy is 1000 to 3000 kW / m 2 . 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の反応性セラミックスを配設した2段階水分解反応部と、
前記2段階水分解反応部に太陽光エネルギを供給する太陽光供給部と、
前記2段階水分解反応部に水を供給する水供給部と、
を備え、
前記2段階水分解反応部において、前記太陽光供給部から太陽光エネルギを供給して前記反応性セラミックスを大気雰囲気中で1400〜1800℃に加熱して、前記反応性セラミックスを還元して酸素を生成し、さらに、前記還元された反応性セラミックスを300〜1200℃で水と反応させて前記還元された反応性セラミックスを酸化して水素を生成する2段階水分解反応を繰り返して、水素を製造することを特徴とする水素製造装置。
A two-stage water-splitting reaction part in which the reactive ceramic according to any one of claims 1 to 6 is disposed;
A solar light supply unit for supplying solar energy to the two-stage water splitting reaction unit;
A water supply unit for supplying water to the two-stage water splitting reaction unit;
With
In the two-stage water splitting reaction section, solar energy is supplied from the solar power supply section and the reactive ceramic is heated to 1400 to 1800 ° C. in an air atmosphere to reduce the reactive ceramic and reduce oxygen. In addition, hydrogen is produced by repeating a two-stage water splitting reaction in which the reduced reactive ceramic is reacted with water at 300 to 1200 ° C. to oxidize the reduced reactive ceramic to produce hydrogen. A hydrogen production apparatus characterized by:
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